原著 LED 光下におけるナスの生体電位とエチルアルコール浄化能力 大薮 多可志（国際ビジネス学院，[email protected]） 梶原 祐輔（立命館大学 情報理工学部，[email protected]） 河内 雅典（金沢機工株式会社，[email protected]） 木村 春彦（金沢大学 大学院自然科学研究科，[email protected]） Bioelectric potential of egg-plant and its purification capability to ethyl alcohol under LED light Takashi Oyabu (Kokusai Business Gakuin College, Japan) Yusuke Kajiwara (College of Information Science and Engineering, Ritsumeikan University, Japan) Masanori Kawauchi (Kanazawa Kiko Co. Ltd, Japan) Haruhiko Kimura (Graduate school of Natural Science and Technology, Kanazawa University, Japan) 要約 植物生体電位は植物から発信される有力な情報といえる。この生体電位と環境要因や成長率などとの関係が明らかになれば応 用範囲が広く人間社会に大きな貢献となる。特に野菜工場へ応用することができれば生産管理にも応用でき、高効率で安全・ 安心な野菜生産が可能となる。本研究においては、野菜工場における主環境要因の一つである照射光周波数と生体電位との関 係を調べた。養分としてガス状エチルアルコールを採用し、その雰囲気に対する浄化能力について調べた。被験植物は代表的 な果菜類であるナスを採用した。結果として、様々な周波数の混合光である白色光下における生体電位が大きく浄化能力も高 いことが明らかとなった。本実験の浄化能力は、ナスの当該ガスの摂取・分解能と考えられる。酸化スズ系ガスセンサを用い て実験容器内の濃度変化を調べることにより被験植物の浄化能力特性を導出した。ガスセンサ出力が、ナスのエチルアルコー ル吸収・分解ととともに濃度が減少する。その特性のピーク値を半値幅で除することにより浄化能力を導出した。 し、水不足や病気などの異常状態検知に応用できると考え キーワード 野菜，生体電位，浄化能力，LED 光，植物工場 られる。これまで植物からの情報を取り扱うものとして SPA （Speaking Plant Approach）技術がある（日本学術会議農業情 1. はじめに 報システム学分科会，2011）。これは、先に述べた視覚情報 日本の食料自給率は、カロリーベースで約 40 %、生産額ベー であり、画像により植物の健康状態などを判断するものであ スで約 70 % と報告されている（農林水産省，2014）。最近で る。生体電位を用いて生育野菜の状態（生理、成長、健康）を は、一つの指標として食料自給力も用いられつつある。これ 把握することができれば、新しい SPA 技術の一つになる。また、 らの値は、先進諸国の中でも著しく低く、食の安全・安心を 植物の地震予知や環境を認識する能力についても研究されて 目指し向上させることが急務といわれている。特に、地方に いる（柴田他，2011; Chamovitz, 2012）。これも植物の人間社 おける耕作放棄地の活用や植物工場の積極的な運用が求めら 会への強力な貢献となる可能性がある。 れる（Dyer and Jones, 2010）。東北地方においては、東日本大 本研究においては、被験植物としてナスを採用し照射光や 震災により広範囲な放射能汚染に見舞われ、長期に亘り農産 空気汚染物と植物生体電位間の関係を調べた。環境要因に対 物の出荷が不可能な状況にある。この解決策の一つとして植 する生体電位特性を調べることにより、生理的な反応を解明 物工場が有力視されている（高辻，2007）。植物工場において する糸口にもなる。ナスは果菜類の一つであり、日本におい は、外界からの影響（放射能、温湿度、細菌 etc.）を遮断し安 ては古くから食され夏野菜の代表である。実験においては、 全・安心な野菜を産出することができる。また、季節に影響 ナスをエチルアルコール雰囲気中に設置し、生体電位の変化 されることなく高効率生産が可能であり、状況に応じて出荷 を調べた。この時、LED光の周波数を変えて実験をおこなった。 時期や量を需要に合わせ決定することもできる。日本のもの 結果として、白色光などの複合光照射時の生体電位は単色光 づくりのノウハウを応用し高効率生産の可能性がある。効率 の場合に比較して高く、エタノール浄化能力も大きい。単色 的生産を達成するには、環境要因を制御するとともに植物自 光の場合、生体電位が大きくなるほど浄化能力が低くなり負 身から発せられる信号を検知し、植物の状態を把握し育成要 の相関がある。二種類の複合光の場合は無相関であった。こ 因にフィードバックするシステムが必要である。これまでは、 れらの結果は、野菜の高効率生産の一つの条件を示している 植物から発せられる情報として、野菜などの色や艶などの視 と考えられる。 覚的情報が主であった。この他に電気的情報として生体電位 がある。植物生体電位は、植物細胞内でイオン濃度差が生じ 2. 実験方法 ることにより発生する。人間の心電図と相対するものであり、 我々が日常的に食する野菜を大きく分類すると、果菜類、 生育環境や生理的条件により変化する（杉，2006）。 葉茎類、根菜類に分けることができる。この他に椎茸などの 将来、植物生体電位を用いて植物成長度などを数値で示 菌茸（キンジョウ）類もある。これまで著者らは、葉茎類と根 Union Press 科学・技術研究 第 4 巻 1 号 2015 年 65 菜類野菜について実験を行った（大薮，2013；Oyabu et al., 2014）。今回、代表的な果菜類としてナスを選び実験を行っ た。ナスは古くからインドで栽培されていた。日本では一般 に漬物や煮物、焼きなすにして食されている。その性能とし て、強い抗酸化力がありガンや生活習慣病のもとになる活性 酸素を抑える強い力がある。コレステロールの吸収を抑える 作用もある。 一般に植物は様々な環境要因に適合し成長する。すなわち、 これらの要因を制御することが出来れば、成長をかなり制御 （管理）できる。その主な要因として 5 つが挙げられる。これ を図 1 に示す。これらの要因を変数として成長関数f を導出で きれば管理が容易となり、植物工場の管理システムが構築で きる。実験は、内容積が約 300 liter のアクリルチャンバー内 で行った。チャンバーは、外部からの光が遮断されている。 図 3：実験に供したナス マイクロシリンジを用いて、実験チャンバーに規定濃度にな るようにエチルアルコールを注入する。エチルアルコールは、 スの写真を図 3 に示す。予備を含め 2 個の鉢を準備した。チャ 消毒用など身近に使用されており、ガスセンサ感度も高く比 ンバー内には、次のようなセンサが設置されている。生体電 較的精度よく検知できる。また、実験を遂行するにあたり安 全（人体許容雰囲気濃度 1,000 ppm）でもある．本来ならば植 物の栄養源となる硫黄酸化物や窒素酸化物、二酸化炭素を用 いるとよい。実験システムの概略を図 2 に示す。採用したナ Irradiation light Temperature Carbon dioxide Fertilization Sprinkling x1 x2 x3 x4 x5 g = f (x) g: growth rate 図 1：基本的な制御要因と植物の成長速度g 位は、隣り合う葉面に電極を取り付けアースからの電位差を 0.1 秒毎に差動アンプに入力する。その信号（数 mV）を 100 倍 に増幅しローパスフィルターを介し PC に入力する。この信 号の絶対値の 1 分間の総和値を v m 1 とする。同様に、30 分間 の総和値（v m 30）や 1 時間総和値（v h 1）も解析に用いた（徳田他， 2012）。 温湿度と気圧（T&D, TR-73U）、照度（T&D, PHR-51）、生体電 位、エチルアルコール濃度（GAS: Figaro TGS # 800）、光源と して LED パネルを採用している。パネルとして、青（Blue, 475 nm）、緑（Green, 525 nm）、赤（Red, 660 nm）、昼白色（White） の 4 種類の LED パネルを用いた。全く光照射がない暗黒下 （Black）でも実験を行っている。光周波数により植物の生長 LED Control Unit Electrode Pre-amp Low Pass Filter Cut of 10 Hz Pre-amp A/D Converter Electrode Data Logger GAS Chamber A/D Converter Sensors Data Logger Bioelectric potential Temperature Humidity Atmospheric pressure Illuminance 0.1 sec 1 min 1 min 1 min 1 min 図 2：実験システム 66 Studies in Science and Technology , Volume 4, Number 1, 2015 大薮 多可志他：LED 光下におけるナスの生体電位とエチルアルコール浄化能力 部位が異なるといわれている。赤は葉、青は茎、緑は病害な 3 どの抑制に効果があるといわれている。LED パネルはチャン 2 バー上部（鉢底から高さ約 90 cm）に取り付けてある。ナスの エチルアルコール浄化能力（Pa ）は以下のように求めた。エチ 力レベルをオフセット電位とする。エチルアルコールを規定 濃度になるように注入した時の出力レベルのピーク値を求め る。この時、ピーク値とオフセットレベルの差を h（濃度に 相当）とする。ナスの浄化能力により次第に出力値が減少す 1 Output (V) ルアルコールをチャンバーに注入する前のセンサ（GAS）の出 Black C2H5OH: 15 ppm 0 -1 る。h が半値になる時間をt w とする。このとき、式（1）により -2 Pa を規定する。実験プロセスは次の通りである。15 時に被験 植物鉢をセットし、18 時に規定量のエチルアルコールを注入 する。翌日の 6 時まで各センサからのデータを収集した。 -3 0 10 20 30 Time (s) 40 50 60 （1） 図 5：エチルアルコール濃度 15 ppm に対するナスのオリジナ 実験においては、照射光周波数を変えることによる生体電 ガスセンサ出力がh の半値になる時間（t w ）の前後 1 時間の平 位の変化とエチルアルコール浄化能力を調べた。エチルアル 均値を採用している。 Pa = h / t w × 100（%） ル生体電位特性 3. 実験結果 コール濃度として、8、12、15 ppm を採用した。 3.2 照射光に対する v m 1-ave 特性 3.1 ガスセンサ出力と生体電位 エチルアルコール注入後、ナスの吸収分解能力によりチャ エチルアルコールの濃度を測定するためにガスセンサを用 ンバー内のエチルアルコール濃度が減少する。h が半値にな いている。濃度とガスセンサ出力との関係を調べた。結果を る時刻（t w ）の前後 1 時間のv m 1 の平均値をv m 1-ave 値としている。 図 4 に示す。測定は 5 ～ 15 ppm まで測定した。縦軸はh（V） 生体電位のオリジナル特性から照射光に対する特徴を抽出す である。測定範囲において直線的に変化している。30 ppm ることは難しいため v m 1-ave を用いて解析を行った。単色光と を超えると特性は少しずつ飽和する傾向がある。これはセン 暗黒下における特性を図 6 に示す。単色光や暗黒下において サの特徴でもある。20 ppm 以下の低濃度範囲においては補 殆ど変動しないといえる。R は Red、B は Blue、G は Green を 完データを採用することができる。生体電位のオリジナル特 意味する。Black は暗黒下である。果菜類においては、葉菜類 性を図 5 に示す。0.1 秒毎に入力されるナスの生体電位変化を などと異なる生理反応があるものと考えられる。同様に、複 1 分間示している。これは、暗黒下で濃度が 15ppm になるよ 合光に対する実験を行った。結果を図 7 に示す。低濃度側で うにエチルアルコール注入した時の特性である。特性は振動 は white 光に対する値が高く、単色光の約 2 倍の値を示して が激しくパラメータに対する特徴を抽出することは難しい。 いる。この濃度におけるエチルアルコールの吸収・分解能力 このため、入力される生体電位の 1 分間（v m 1）や 1 時間（v h 1）の が高いといえる。濃度が増加するとともに他の複合光に対す 絶対値の総和値を代表値として採用することとした。また、 る v m 1-ave も増加する。特に赤色光と青色光の複合光に対する その平均値（v m 1-ave , v h 1-ave ）を解析に用いた。v m 1-ave とv h 1-ave は、 2 0.4 Output (V) h (V) 0.3 0.2 1 (×102) Vm1-ave Black B R G 0.1 0 0.0 0 5 8 12 Concentration (ppm) 15 図 4：エチルアルコール濃度に対するガスセンサ出力（h ） 8 12 Concentration (ppm) 15 図 6：単色光下でエチルアルコール濃度を変化させたときの ナスの生体電位総和値v m 1-ave 科学・技術研究 第 4 巻 1 号 2015 年 67 4 (×102) 60 Vm1-ave 3 40 White 2 Pa Output (V) R&G R&B White 20 G&B R&B G&B 1 0 R&G 0 8 12 Concentration (ppm) 8 15 12 Concentration (ppm) 15 図 9：複合光下におけるエチルアルコール濃度に対する ナス 図 7：複合光下でエチルアルコール濃度を変化させたときの の浄化能力（Pa ） ナスの生体電位総和値v m 1-ave は低い。 値が大きい。この 2 色は光合成に大きく貢献する光周波数で ある。単色光の 3 倍にもなり、生体電位は光合成と何らかの 3.4 浄化能力特性生体電位と浄化能力の関係 関係があるといえる。当然のことであるが、v m 1-ave を 60 倍す 生体電位と浄化能力の関係を明らかにすることができれば ると v h 1-ave の値になる。長期のデータでの解析が必要な時に v h 1-ave で比較する。 幾つかの応用が可能となる。浄化能力は、空気中の汚染物を 吸収する能力といえる。これは、植物にとって一種の養分と 3.3 浄化能力特性 いえる。実験で求めた Pa と v h 1-ave の関係を調べるために散布 光照射時における各エチルアルコール濃度に対する浄化能 力（Pa ）を調べた。単色光に対するPa 値を求めた。Pa は（1）式 から求めた。結果を図 8 に示す。濃度が高くなるほど減少傾 向にある。光合成が起こらない暗黒下においても浄化能力が いえる。浄化能力が高いということは成長度に寄与するとも 図を求めた。結果を図 10 に示す。図においては、各単色照射 光のプロットをまとめている。相関係数としてr = -0.44 が得 られ、これらのパラメータ間には弱い負の相関があるといえ る。 ある。これは、暗黒下でもいくつかの気孔が開口しており、 20 エチルアルコールが植物内部に取り込まれる可能性があるこ r = -0.44 とと、鉢土壌中に吸収されることも考えられる。鉢土壌中に は様々な土壌菌が生息しておりエチルアルコールを分解する 15 可能性がある。総じて光周波数による差が認められない。 20 Pa 25 R Pa Pa-ave 5 Black 15 10 Red 17.0 Blue 13.6 Green 12.3 G Black B 0 10 0 14.6 2 4 6 Vh1-ave (V) 5 0 8 10 (× 103) 図 10：単色光に対するエチルアルコール存在下のPa と v h 1-ave の散布図 8 12 Concentration (ppm) 15 図 8：単色光下におけるエチルアルコール濃度に対する ナス の浄化能力（Pa ） 同様に、複合光に対する散布図も求めた。結果を図 11 に 示す。White 光に対するPa = 42（3 値の平均値）が高いが Red & Blue 光に対するPa（= 26.6）は低い。この光は、光合成に大 きく寄与する光周波数でもある。浄化作用には、他の光周波 混 合 光 に 対 す る Pa 特 性 を 求 め た。 結 果 を 図 9 に 示 す。 White 光に対するPa が最も高い。Red と Blue の混合光下の値 68 数成分が貢献しているものと考えられる。両者間に相関関係 はない。単色光に比して概ね 2 倍の浄化機能があるといえる。 Studies in Science and Technology , Volume 4, Number 1, 2015 大薮 多可志他：LED 光下におけるナスの生体電位とエチルアルコール浄化能力 刻から半値になる間の生体電位が高い。このため、V h 1 におい 50 r = 0.003 て 2 倍程度の差異が認められる。すなわち、濃度が高いほど 生体電位が高くなる。 40 4. まとめ 30 Pa 植物から発信される情報の一つとして生体電位がある。植 20 10 0 Pa-ave 物生体電位と植物状態（環境認知、健康、成長）との関係を明 Red & Blue 26.6 らかにすることができれば応用範囲が著しく広がるととも Red & Green 35.0 に、人類にとっても大きな貢献となる。特に、地球環境の変 Green & Blue 32.6 遷や地震などの予知にも応用可能となる。室内で野菜などを White 生育する植物工場への応用は可能性が高い。植物工場は室内 0 42.0 5 10 15 20 (× 103) Vh1-ave (V) 図 11：複合光に対するエチルアルコール存在下のPa と v h 1-ave の散布図 で管理されるため生体電位の変動要因を把握することが容易 といえる。生体電位により環境要因を把握したり施肥の時期 を認識したりする可能性が高い。特に、野菜などの成長を促 進することが出来れば食料自給力向上にも貢献できる。 本研究においては、植物工場で生育環境の主要因となる光 周波数に対する生体電位を調べた。このとき、空気中のエチ ナスなど果菜類を用いて空気中の汚染物を浄化する場合、白 ルアルコール濃度を変えて実験をおこなった。エチルアル 色光がもっとも高い機能を発揮する。 コールには炭素も含まれており、植物成長の栄養源となる可 能性が高い。植物生体電位は大きく変動するため、解析に用 3.5 生体電位の平均値 いる代表値として 1 分間など単位時間総和値を用いた。結果 本研究においては、半値幅前後 1 時間の生体電位平均値を として、複合光を照射すると生体電位が高く浄化能力も高く 用いて解析を行ってきた。エチルアルコール注入後の生体電 なる。いずれも 2 倍程度になることが明らかとなった。単色 位データは 12 時間収集している。この 12 時間に亘る生体電 光照射時の生体電位と浄化能力間には負の相関があるが、複 位の平均値と半値幅前後 1 時間の各平均値との相関を求めた。 合光の場合は無相関である。様々な周波数の複合光である白 この相関が認められれば、12 時間に亘る生体電位を測定する 色光を照射することにより浄化能力が最も高くなる。 必要がなくなり、時間的コストの減少に繋がる。求めた相関 今後は生体電位と植物生理との関係を詳細に調べる必要が 関係を図 12 に示す。図中の縦軸はV -ave-hw（60）と記してあるが、 ある。また、植物のセンサ機能についても検討し植物の活用 これまで採用してきた v m 1-ave 、v m 30-ave 、v h 1-ave を意味する。横 を促進していく必要がある。 軸は 12 時間に亘る生体電位の平均値である。これをV- ave と記 している。結果として、相関係数 r = 0.98 が得られ、高い相 関があることが明らかとなった。この結果より、全体の生体 電位値はガスセンサから求められた浄化特性の半値幅前後の 引用文献 生体電位の平均値を用いることできる。ただし、浄化特性に Daniel Chamovitz (2012). What a Plant Knows. Oneworld Publications. Dyer, C. and Jones, R. (2010). Deserted Villages Revisited . University of Hertfordshire Press. 日本学術会議農業情報システム学分科会（2011）．知能的太陽 おいてエチルアルコール注入により濃度がピーク値となる時 12 (×103) 光植物工場の新展開．日本学術会議報告． r = 0.98 Vh1 10 農林水産省（2014）．平成 26 年版 食料・農業・農村白書．農 V-ave-hw(60) (V) 林統計協会． 8 大薮多可志・伴浩美・南戸秀仁（2013）．LED 光照射によるキ ンジソウの生体電位と空気浄化能力．日本設備管理学会誌， 6 4 2 0 Vm1 0 Vm30 1 2 3 V-ave (V) 4 5 6 (× 103) 図 12：エチルアルコール 12 ppm 注入後の昼白色光下の V -avehw (60) とV -ave の相関図 Vol. 25，No. 3，132-138． Oyabu, T., Kawauchi, M., Ban, H. and Nanto, H. (2014). Purification capability of white radish for gaseous ethyl alcohol and bioelectric potential under LED light. Sensors and Materials , Vol. 26, No. 7, 495-504. 柴田慎一・佐藤文赳・木村春彦・大薮多可志（2012） ．除草 剤散布時におけるクロロフィル蛍光パラメータ（Fv/Fm）と 植物生体電位の周波数成分との関連性．電気学会論文誌 E， Vol. 132，No. 6，154-158． 科学・技術研究 第 4 巻 1 号 2015 年 69 杉晴夫（2006）．生体電気信号とは何か．講談社ブルーバック ス． 高辻正基（2007）．完全制御型植物工場．オーム社． 徳田真行・邵麗新・大薮多可志・南戸秀仁（2012）．光周波数 に対する葉の堅いキャベツの生体電位変化．電気学会論文 誌 E，Vol. 132，No. 6，143-148． （受稿：2015 年 4 月 8 日 受理：2015 年 4 月 27 日） 70 Studies in Science and Technology , Volume 4, Number 1, 2015
© Copyright 2024 ExpyDoc
